JP4752487B2 - 車両用電源装置および車両 - Google Patents

Description

この発明は、車両用電源装置および車両に関し、特に互いに出力電圧が異なる２つの蓄電装置の間に接続され電圧変換を行なう電圧変換装置を備えた車両用電源装置および車両に関する。

従来のバッテリの急速充電器の制御に関して、たとえば、特開平８−８４４３８号公報（特許文献１）は、トランスの温度が所定値に達すると、充電出力電流を制限してトランスの過熱を防ぐ技術について開示する。
特開平８−８４４３８号公報

近年、１００ボルトを超える高圧のバッテリを蓄電装置として搭載し、駆動用にモータを搭載する電気自動車やハイブリッド自動車が登場している。このような自動車においても、従来車両と同様、１２ボルト系のバッテリで駆動される負荷を多数用いており、高圧バッテリから低圧バッテリへはＤＣ／ＤＣコンバータを使用して充電を行なっている。

車両は、使用温度範囲が広範囲にわたるので、ＤＣ／ＤＣコンバータのような装置には、過熱防止のために冷却装置が設けられている場合が多い。

このような車両では、特開平８−８４４３８号公報（特許文献１）に開示された技術のように単に電流制限を行なうだけでは、１２ボルト系の補機バッテリの充電が不十分となる場合が考えられる。

たとえば、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を制限しても、これを冷却する冷却装置に異常が発生している場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータの温度がなかなか下がらない。この状況を放置していては、補機バッテリの充電が不十分となりバッテリ電圧が低下してしまう場合が考えられる。したがって、冷却装置の異常についても故障発生を速やかに検出して報知することが望ましい。

この発明の目的は、電圧変換装置を冷却する冷却装置の異常を速やかに検出可能な車両用電源装置およびそれを備える車両を提供することである。

この発明は、要約すると、車両用電源装置であって、互いに出力電圧が異なる第１および第２の蓄電装置の間に接続され、第１の蓄電装置から第２の蓄電装置に対して充電を行なう際に電圧変換を行なう電圧変換装置と、電圧変換装置を冷却する冷却装置と、電圧変換装置の温度を検知する温度検知部と、温度検知部の出力に応じて電圧変換装置に出力制限を行ない、かつ冷却装置の異常を所定の判断条件に基づいて判断する制御装置とを備える。所定の判断条件は、出力制限を行なっている時間が所定時間以上であることを含む。

好ましくは、所定の判断条件は、第２の蓄電装置が充電不足状態であることをさらに含む。

好ましくは、制御装置は、冷却装置の動作に異常があると判断したときには、電圧変換装置の温度上昇を防止する保護処理を行なう。

より好ましくは、車両用電源装置は、第１の蓄電装置と電圧変換装置とを電気的に接続する経路上に設けられる接続装置をさらに備える。制御装置は、保護処理として、接続装置を開放状態に制御する。

好ましくは、出力制限は、電圧変換装置の温度の上昇に対して最大出力制限値を複数段階に減少させることによって行なわれる。制御装置は、複数段階の最大出力制限値のうち最大出力制限値を一番小さくした状態が所定期間継続したときに、冷却装置の動作に異常があると判断する。

好ましくは、冷却装置は、空冷用ファンと、空冷用ファンによる送風を電圧変換装置に導く送風路とを含む。

好ましくは、第１の蓄電装置の電源電圧は、第２の蓄電装置の電源電圧より高い。車両用電源装置が搭載される車両は、第１の蓄電装置から電力を受けて車輪を駆動する回転電機と、電圧変換装置および第２の蓄電装置から電力を受ける補機とを含む。

この発明は、他の局面では、上記いずれかの車両用電源装置を搭載する車両である。

本発明によれば、電圧変換装置を冷却する冷却装置の異常が速やかに検出され、車両の状態を常に良い状態に保っておくのに役立つという効果がある。

以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明が適用される車両１００の構成を示すブロック図である。なお、車両１００は、メインバッテリと補機バッテリを用いる車両であれば、電気自動車でもよく、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車等でもよい。

図１を参照して、車両１００は、高電圧バッテリ１０と、システムメインリレーＳＭＲＢおよびＳＭＲＧと、昇圧コンバータ１２と、インバータ１４と、モータＭ１とを含む。

高電圧バッテリ１０は、車両駆動用のモータＭ１のメインバッテリであり、たとえばニッケル水素バッテリやリチウムイオンバッテリ、または電気二重層コンデンサ等の蓄電用の大容量キャパシタを用いることができる。

システムメインリレーＳＭＲＢは、高電圧バッテリ１０の正極と電源ラインＰＬ１との間に設けられる。システムメインリレーＳＭＲＧは、高電圧バッテリ１０の負極と接地ラインＳＬとの間に設けられる。

昇圧コンバータ１２は、電源ラインＰＬ１と接地ラインＳＬとの間の電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬの間に出力する。インバータ１４は電源ラインＰＬ２および接地ラインＳＬの間の直流電圧を電源電圧として受け三相交流電流を作り出すようにスイッチング制御される。そしてインバータ１４によってモータＭ１は駆動され、モータＭ１によって図示しないディファレンシャルギヤや車輪が回転される。

車両１００は、さらに、１２ボルトの補機バッテリ１８と、補機バッテリ１８の端子間電圧を監視する電圧センサ１９と、補機バッテリ１８によって駆動される負荷２０と、電源ラインＰＬ１と接地ラインＳＬとの間の電圧を降圧して補機バッテリ１８に供給するＤＣ／ＤＣコンバータ１６とを含む。

負荷２０としては、たとえば電動パワーステアリングや、ブレーキの油圧ポンプや、ヘッドランプや、エアコンファンモータや、各種ＥＣＵ（Electric Control Unit）の電源や、システムメインリレーの駆動用電源等が例示される。

補機バッテリ１８の役割として特に重要であるのは、車両起動時におけるＥＣＵに対する電源電圧供給と、システムメインリレーＳＭＲＢ，ＳＭＲＧのへの図示しないリレー駆動用コイルへの電源供給である。車両が起動されシステムメインリレーＳＭＲＢ，ＳＭＲＧが導通状態となり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６が動作開始すると負荷２０は主としてＤＣ／ＤＣコンバータ１６から電力供給されることになる。

車両１００は、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の温度Ｔを測定する温度センサ２２と、ＤＣ／ＤＣコンバータが出力する出力電流Ｉを測定する電流センサ２３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を冷却するための冷却装置２４と、制御装置３０とを含む。

制御装置３０は、システムメインリレーＳＭＲＢ，ＳＭＲＧの開閉制御、昇圧コンバータ１２の昇圧制御、インバータ１４のスイッチング制御を行なうとともに、温度センサからの温度Ｔおよび電流センサ２３からの電流Ｉを受けてＤＣ／ＤＣコンバータの出力制限を行なうとともに冷却装置２４によってＤＣ／ＤＣコンバータの冷却を行なう。なお、制御装置３０は、エンジン制御用ＥＣＵ、ハイブリット制御用ＥＣＵ、インバータ１４および昇圧コンバータ１２のＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）中の制御部、バッテリ制御用ＥＣＵなどの複数のＥＣＵが制御情報を相互に通信することによって実現されるものでも良い。

図２は、図１の冷却装置２４について説明するための概念図である。
図２を参照して、車両１００は、車室内に前部座席５０と後部座席５２とを含む。車室内の後部座席５２の後方に図１で説明した高電圧バッテリ１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ１６が配置される。冷却装置２４は、リヤウインドと後部座席５２との間のパネルに設けられた吸気孔から空気を吸引し、ファン５３および５４によってそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータ１６、高電圧バッテリ１０に対して送風を行なうことにより両者を冷却する。

通常であれば、車室内は空調が施されており、３０℃未満に保たれている。このような場合には車室内空気を吸引して冷却を行なうことによりＤＣ／ＤＣコンバータ１６を適切な温度に保つことが可能である。制御装置３０は、温度センサ２２が検知したＤＣ／ＤＣコンバータ１６の温度Ｔに応じて、ファン５３の回転数を高、中、低に切換える。

しかしながら車両は、しばしば炎天下に放置され車室内が高温になっている場合がある。このような場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６が高温になっていることに加え、車両が起動されて室内に空調が働きしばらく時間が経過するまでは、車室内の空気もかなり高温となっている。このような高温な空気をＤＣ／ＤＣコンバータ１６に送風すると、かえって温度が高くなってしまう場合も考えられる。

図３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６で実行されている出力制限について説明するための図である。

図３を参照して、温度がＴ１未満の場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータは出力可能最大電流がＩ１に設定されている。そして温度がＴ１〜Ｔ２の範囲まで上昇すると、この出力可能最大電流はＩ２となるように制限される。さらに温度範囲がＴ２〜Ｔ３の間まで上昇すると出力可能最大電流はＩ３までさらに低減され、温度がＴ３を超えると出力可能最大電流は０となるように制限がなされる。

図３のマップにおいて温度がＴ１未満の領域を領域Ａ、温度がＴ１〜Ｔ２の間にある領域を領域Ｂ、温度がＴ２〜Ｔ３の間にある領域を領域Ｃと呼ぶこととする。

通常は、ＤＣ／ＤＣコンバータの温度Ｔと電流Ｉは、たとえば点Ｐ１において良好に動作している。しかし冷却装置が十分に働かないと温度が上昇して図３の軌跡に示すように点Ｐ１から点Ｐ２に動作点が移動する。動作点がＰ２に移動するとＤＣ／ＤＣコンバータの電流制限により発熱量が減少し温度が下がり始めこのときＤＣ／ＤＣコンバータの負荷の駆動状態が変わらなければ点Ｐ３と点Ｐ２の間を動作点が行ったり来たりする。また、Ｐ２において負荷の電流が減少しておれば点Ｐ２から点Ｐ４に示すように動作点が移動する。

このように、通常では、自動車の使用される環境の中で最大限の出力電流が要求される状態であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータの発熱によって一時的に領域Ｃに動作点が移動することはあっても、領域Ｃに動作点が入ることで出力電流が制限されてＤＣ／ＤＣコンバータの温度が低下し、その後負荷の電流が減少したりまた冷却装置が正常に働くように空調が効いたりすれば領域Ｂ，領域Ａへと順次動作点が戻っていく。

ところが冷却装置に異常がある場合、たとえば送風経路に漏れが生じたり送風用ファンが故障したりした場合には、領域Ｃに動作点が長時間停滞する可能性がある。この状態が長く続くと、補機バッテリ１８からの電力の持ち出しが起こって補機バッテリ電圧が低下してしまう場合があり得る。補機バッテリ１８は、特に起動時に重要な役割を果たしているのでこのような場合には冷却装置に異常があることを検知してこれを運転者に警告しておく必要がある。

図４は、図１の制御装置３０で実行される冷却装置の異常検出プログラムの制御構造を示したフローチャートである。このフローチャートの処理は、所定のメインルーチンから一定時間毎または所定の条件が成立する毎に呼び出されて実行される。

図１、図４を参照して、まず処理が開始されるとステップＳ１において、制御装置３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６が動作中であるか否かを判断する。動作中でなければ処理はステップＳ１３に進み、制御はメインルーチンに移される。

一方、ＤＣ／ＤＣコンバータが動作中であれば処理はステップＳ２に進む。ステップＳ２においてはＤＣ／ＤＣコンバータ１６の温度Ｔを温度センサ２２から取得し温度測定を行なう。そしてステップＳ３に処理が進み電流センサ２３によって出力電流Ｉを測定する。

ステップＳ３の処理の後はステップＳ４において、制御装置３０は、温度Ｔおよび電流Ｉが図３に示したマップの領域Ｃにあるか否かを判断する。

動作点がマップの領域Ｃにない場合にはステップＳ１０に処理が進み、動作点が領域Ｃにある場合にはステップＳ５に処理が進む。

ステップＳ５においては動作点が領域Ｃにあると判定された時間が所定時間を連続しているか否かが判断される。領域Ｃに動作点があることが所定時間連続している場合には冷却装置に異常が発生している可能性が高い。

ステップＳ５の判断がＹＥＳとなった時点で冷却装置の異常としてもよい。ただしこの実施の形態においてはさらにステップＳ６以降の処理が行なわれる。一方、ステップＳ５においてＣ領域の判定が所定時間連続してない場合にはステップＳ２に処理を戻し再び領域判定を行なう。

なお、ステップＳ５からステップＳ６に処理を進める際にシフトレバー位置についても条件を設定してもよい。たとえばシフトレバー位置がＰ（パーキング）ポジションである場合には、領域Ｃの状態がさらに長時間（たとえば３０分以上）継続しているかどうかを冷却装置の故障判定の条件としてもよい。

ステップＳ６においては、補機バッテリ１８の電圧ＶＢ２が所定のしきい値を下回っているか否かが判断される。電圧ＶＢ２がしきい値を下回っていない場合にはステップＳ１０に処理が進み、一方電圧ＶＢ２がしきい値を下回っている場合にはステップＳ７に処理が進む。

ステップＳ７においては「ＶＢ２＜しきい値」の期間が所定時間連続したか否かが判断される。

この条件を満たす期間が所定時間連続していない場合にはステップＳ６に戻りさらにバッテリの電圧の監視が継続される。

一方、「ＶＢ２＜しきい値」が成立した期間が所定時間連続していた場合にはステップＳ８に処理が進む。

ステップＳ８では、制御装置３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を冷却している冷却装置２４に異常が発生したと判定し、警告ランプを点灯する。そしてステップＳ９において車両の走行を許可しない状態すなわちＲＥＡＤＹＯＦＦ状態に移行させてシステムメインリレーＳＭＲＢ，ＳＭＲＧを開放状態とする。そしてステップＳ１３に処理が進み制御はメインルーチンに移される。

ステップＳ４またはステップＳ６からステップＳ１０に処理が進んだ場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータの冷却系が正常である仮判定が行なわれる。そして処理はステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１では、ステップＳ１０で行なわれた正常仮判定が３トリップ連続したか否かが判断される。なお１トリップは、運転者がイグニッションキースイッチングをオンして車両を走行させそして車両を停止させてイグニッションキースイッチをオフさせるまでの行程を言う。

ステップＳ１１において正常仮判定が３トリップ連続した場合にはステップＳ１２に処理が進み制御装置３０はＤＣ／ＤＣコンバータ１６を冷却する冷却装置２４を正常と判定して警告ランプを消灯させる。

一方、ステップＳ１１において正常仮判定はあったもののまだ３トリップ連続していない場合には、以前に冷却系異常と判定して警告ランプが点灯されていてもそのままステップＳ１３に進み、処理はメインルーチンに一旦戻される。

なお、図４のフローチャートでは、警告ランプ点灯後直ちに走行不許可状態に移行させているが、たとえば、ステップＳ５でＹＥＳとなった時点で予告的に警告ランプを点灯させるなどして、予め警告しておいてから走行不許可状態に移行させるのでも良い。

以上の説明に基づいて、本願発明の実施の形態について総括的に再度説明する。再び図１を参照して、本実施の形態により開示される車両用電源装置は、互いに出力電圧が異なるメイン高電圧バッテリ１０と補機バッテリ１８の間に接続され、バッテリ１０からバッテリ１８に対して充電を行なう際に電圧変換を行なうＤＣ／ＤＣコンバータ１６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を冷却する冷却装置２４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の温度を検知する温度センサ２２と、温度センサ２２の出力に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１６に出力制限を行ない、かつ冷却装置の異常を所定の判断条件に基づいて判断する制御装置３０とを備える。所定の判断条件は、出力制限を行なっている時間が所定時間以上であることを含む。好ましくは、所定の判断条件は、補機バッテリ１８が充電不足状態であることをさらに含む。

好ましくは、制御装置３０は、冷却装置２４の動作に異常があると判断したときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の温度上昇を防止する保護処理を行なう。

より好ましくは、車両用電源装置は、メインの高電圧バッテリ１０とＤＣ／ＤＣコンバータ１６とを電気的に接続する経路上に設けられるシステムメインリレーＳＭＧＢ，ＳＭＲＧをさらに備える。制御装置３０は、保護処理として、システムメインリレーＳＭＧＢ，ＳＭＲＧを開放状態に制御する。

好ましくは、出力制限は、電圧変換装置の温度の上昇に対して図３のマップのように最大出力制限値を複数段階に減少させることによって行なわれる。制御装置３０は、複数段階の最大出力制限値のうち最大出力制限値を一番小さくした状態すなわち動作点が図３のマップの領域Ｃにある状態が所定期間継続したときに、冷却装置の動作に異常があると判断する。

好ましくは、図２に示すように、冷却装置２４は、空冷用ファン５３と、空冷用ファン５３による送風をＤＣ／ＤＣコンバータ１６に導く送風路とを含む。

好ましくは、高電圧バッテリ１０の電源電圧は、補機バッテリ１８の電源電圧より高い。車両用電源装置が搭載される車両１００は、高電圧バッテリ１０から電力を受けて車輪を駆動するモータＭ１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６および補機バッテリ１８から電力を受ける補機として負荷２０とを含む。

以上説明したように、本実施の形態においては、ＤＣ／ＤＣコンバータの冷却系に異常が発生した場合においてこの異常を検出して運転者に報知することができる。これにより、運転者が車両に異常が生じているままで長時間走行続けることが防止できる。また冷却系異常を検出できることにより、補機バッテリを充電できずにバッテリ電圧が低下することを防止することもできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明が適用される車両１００の構成を示すブロック図である。 図１の冷却装置２４について説明するための概念図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータ１６で実行されている出力制限について説明するための図である。 図１の制御装置３０で実行される冷却装置の異常検出プログラムの制御構造を示したフローチャートである。

符号の説明

１０ 高電圧バッテリ、１２ 昇圧コンバータ、１４ インバータ、１６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１８ 補機バッテリ、１９ 電圧センサ、２０ 負荷、２２ 温度センサ、２３ 電流センサ、２４ 冷却装置、３０ 制御装置、５０ 前部座席、５２ 後部座席、５３，５４ ファン、１００ 車両、Ｍ１ モータ、ＰＬ１，ＰＬ２ 電源ライン、ＳＭＲＢ，ＳＭＲＧ システムメインリレー、ＳＬ 接地ライン。

Claims (6)

1. 互いに出力電圧が異なる第１および第２の蓄電装置の間に接続され、前記第１の蓄電装置から前記第２の蓄電装置に対して充電を行なう際に電圧変換を行なう電圧変換装置と、
   前記電圧変換装置を冷却する冷却装置と、
   前記電圧変換装置の温度を検知する温度検知部と、
   前記温度検知部の出力に応じて前記電圧変換装置に出力制限を行ない、かつ前記冷却装置の異常を所定の判断条件に基づいて判断する制御装置とを備え、
   前記所定の判断条件は、
   前記出力制限を行ないながら前記電圧変換装置を運転している時間が所定時間以上であり、かつ前記第２の蓄電装置が充電不足状態であることを含み、
   前記制御装置は、前記冷却装置の動作に異常があると判断したときには、前記電圧変換装置の温度上昇を防止するために前記出力制限とは別の保護処理を行なう、車両用電源装置。
2. 前記第１の蓄電装置と前記電圧変換装置とを電気的に接続する経路上に設けられる接続装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記保護処理として、前記接続装置を開放状態に制御する、請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記出力制限は、前記電圧変換装置の温度の上昇に対して最大出力制限値を複数段階に減少させることによって行なわれ、
   前記制御装置は、前記複数段階の最大出力制限値のうち最大出力制限値を一番小さくした状態が所定期間継続したときに、前記冷却装置の動作に異常があると判断する、請求項１に記載の車両用電源装置。
4. 前記冷却装置は、
   空冷用ファンと、
   前記空冷用ファンによる送風を前記電圧変換装置に導く送風路とを含む、請求項１に記載の車両用電源装置。
5. 前記第１の蓄電装置の電源電圧は、前記第２の蓄電装置の電源電圧より高く、
   前記車両用電源装置が搭載される車両は、
   前記第１の蓄電装置から電力を受けて車輪を駆動する回転電機と、
   前記電圧変換装置および前記第２の蓄電装置から電力を受ける補機とを含む、請求項１に記載の車両用電源装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用電源装置を搭載する車両。

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